WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 10 Амплитудно-фазовые спектры отражения света от брэгговских структур на основе аморфного кремния © В.Г. Голубев, А.А. Дукин, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, Н.А. Феоктистов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: dookin@gvg.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 9 февраля 2004 г.) Исследованы амплитудно-фазовые спектры отражения света от распределенных брэгговских отражателей и микрорезонаторов Фабри–Перо, выращенных на основе тонких пленок a-Si : H/a-SiOx : H. Измерена частотная зависимость разности фаз амплитудных p- и s-коэффициентов отражения света в пределах фотонной запрещенной зоны. Фазовый спектр в основном характеризуется плавной зависимостью от частоты (близкой к линейной), за исключением спектральных участков в области краев фотонной запрещенной зоны и особенностей, связанных с собственными модами микрорезонатора. Экспериментальные спектры сравниваются с результатами теоретических расчетов, выполненных с использованием метода матриц переноса и приближенных аналитических выражений. Предложен способ структурной характеризации многослойной микрорезонаторной системы, основанный на анализе амплитудно-фазовых спектров отражения.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы Минпромнауки „Физика твердотельных наноструктур“ (проект 01.40.01.09.03) и гранта NATO PST.CLG 980399.

1. Введение ные моды в РБО не возбуждаются (область фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ)). При этом спектр фазы Распространение электромагнитного поля в слоистых амплитудного коэффициента отражения тесно связан с периодических средах, к которым относятся брэгговские геометрическими и оптическими параметрами системы, структуры, сопровождается рядом фундаментальных опв частности с добротностью [12].

тических явлений, широко используемых в современНа важность спектрально-эллипсометрических иссленой оптоэлектронике [1]. Особый интерес представляют дований МР и РБО обращалось внимание в работвердотельные структуры, состоящие из распределентах [13–17]. Однако до настоящего времени системаных брэгговских отражателей (РБО) и активного слоя, тические измерения амплитудно-фазовых спектров отпомещенного между ними — так называемые микроражения от РБО и МР в области ФЗЗ, включающие резонаторы (МР) Фабри–Перо. В МР управляемым сравнение теории с экспериментом, не проводились.

образом может осуществляться квантование фотонноВ этой связи представляются актуальными прямые го поля с длиной волны порядка толщины активной экспериментальные измерения фазовых характеристик области резонатора. С повышением добротности МР коэффициентов отражения света как от отдельных РБО, возможно наблюдение целого ряда новых квантовотак и от МР, развитие теоретических подходов к анализу электродинамических эффектов, в частности усиления таких систем и разработка методов их структурной или подавления полос спонтанной эмиссии [2,3] с соотхарактеризации с учетом особенностей амплитудноветствующими энергетическими сдвигами [4] и расщепфазовых спектров.

ления Раби [5,6]. В прикладном аспекте использование МР перспективно для создания нового поколения опто2. Эксперимент электронных приборов, включая низкопороговые лазеры и светодиоды, функционирующие как в видимой, так и В качестве объектов исследования в настоящей работе инфракрасной областях спектра [7,8].

использовались многослойные планарные системы, выОптические свойства МР исследовались во многих ращенные на стеклянных подложках. Образцы состояли работах, однако основное внимание уделялось измереиз чередующихся слоев a-Si : H и a-SiOx : H и представнию энергетических параметров светового потока, взаляли собой в одном случае только РБО, а в другом — имодействующего с исследуемыми структурами [9–11].

МР. Технология получения и результаты исследований Вместе с тем электромагнитная волна помимо энергетиэнергетических спектров отражения и пропускания таческих обладает фазовыми характеристиками, измерение которых позволяет получить дополнительную информа- ких систем описаны в работах [18–20].

Важной особенностью РБО на основе тонких плецию о свойствах изучаемого объекта. При отражении света от РБО, входящих в состав микрорезонатор- нок a-SiOx : H и a-Si : H является большой оптический ной структуры, происходит изменение фазы отражен- контраст (отношение показателей преломления (больной волны по отношению к падающей, обусловленное шего к меньшему) слоев, составляющих РБО), который специфическими свойствами периодической системы в значительно выше, чем в структурах, изготовленных на спектральной области, где распространяющиеся фотон- основе полупроводников A3B5 [21]. Поэтому использоваАмплитудно-фазовые спектры отражения света от брэгговских структур на основе аморфного кремния ние аморфного кремния в качестве базового материала отражателе. Последнее делает технологию выращивания позволяет получать РБО с высоким коэффициентом от- РБО на основе тонких пленок a-SiOx : H и a-Si : H боражения и большой спектральной шириной ФЗЗ при оса- лее привлекательной по сравнению с соответствующей ждении сравнительно небольшого числа слоев в каждом технологией на основе полупроводников A3B5.

Исследованный в настоящей работе РБО состоял из тринадцати чередующихся четвертьволновых слоев a-Si : H и a-SiOx : H. Толщины слоев были подобраны так, чтобы ФЗЗ целиком лежала в полосе чувствительности использованного фотоприемника (фотодиод на основе InGaAs) и была полностью доступна для измерения.

Микрорезонаторная структура содержала два РБО — верхний и нижний, между которыми находился полуволновой (/2nc) активный слой из a-Si : H толщиной Lc, с показателем преломления nc = 3.31 (рис. 1). Верхний (A) и нижний (B) РБО одинаковы и включают по три пары четвертьволновых (/4na,b) слоев a-SiOx : H (толщина La, показатель преломления na = 1.46) и a-Si : H (толщина Lb, показатель преломления nb = 3.31).

Величины na и nb были предварительно определены с помощью эллипсометра ЛЭФ-3М на длине волны 632.8 nm и пересчитаны на область 1.5 µm с учетом дисперсии показателей преломления пленок a-SiOx : H и a-Si : H.

Контроль значений геометрических параметров структур осуществлялся интерферометрическим способом непосредственно в процессе роста и позволял оценивать толщины отдельных слоев с точностью около 10%. Параметры резонатора подбирались таким образом, чтобы спектральное положение собственной моды МР при нормальном падении света находилось в районе 1.5 µm, что соответствует Телеком-стандарту волоконно-оптических линий связи.

Фазометрические измерения проводились с использованием методики, развитой нами ранее [22], коp s торая позволяет находить разность фаз = - комплексных амплитудных коэффициентов отражения p p p s r = |r | exp(i ) и rs = |rs | exp(i ) для p- и s-компонент поляризации света соответственно. Для получения частотной зависимости () использовалась оптическая схема (рис. 1, a), позволяющая измерять спектры энергетических коэффициентов отражения R(,, ) при наклонном падении света под углом относительно нормали (ось Z на рис. 1) к поверхности. и —азиРис. 1. a — геометрия эксперимента при фазометричемуты поляризатора P и анализатора A соответственно, ских исследованиях спектров отражения от микрорезонатора.

— угол падения света, и — азимуты поляризато- отсчитываемые от плоскости падения по часовой стрелра P и анализатора A, отсчитываемые от плоскости падения, ке, если смотреть вдоль направления распространения K — фазосдвигающий клин, вносящий дополнительный фазолуча; — дополнительный регулируемый фазовый сдвиг вый сдвиг между p- и s-компонентами амплитуд отраженмежду p- и s-компонентами амплитуд электрического ного света, ось Z перпендикулярна поверхности образца и поля отраженного света, вносимый фазосдвигающим слоям структуры. b — схема распределенного брэгговского кварцевым клином K. На выходе регистрирующей систеотражателя РБО. Образец выращен на стеклянной подложке мы записывался сигнал, пропорциональный энергетичеи состоит из 13 четвертьволновых слоев a-SiOx : H и a-Si : H с скому коэффициенту отражения, зависящему от свойств показателями преломления na и nb соответственно. c —схема исследуемой структуры и параметров,,, микрорезонатора. Образец состоит из двух РБО („верхнего“ (A) и „нижнего“ (B), содержащих по шесть слоев каждый) с p R(,, ) = r exp(i) cos( ) cos( ) 0 полуволновым активным слоем между ними; La и Lb — толщины четвертьволновых слоев РБО с низким (na) и высоким (nb) показателями преломления. Lc — толщина активного слоя. + rs sin( ) sin( ).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1758 В.Г. Голубев, А.А. Дукин, А.В. Медведев, А.Б. Певцов, А.В. Селькин, Н.А. Феоктистов Измерения спектров R(,, ) проводились при Переходя к анализу отражения света от МР (micro = 45 в четырех конфигурациях, соответствующих cavity (MC)), отметим, что амплитудный коэффициент значениям = ±45, = 0, -/2, и на основании отражения r от всей микрорезонаторной структуры MC соотношения [22] (рис. 1, c, свет падает на структуру из воздуха слева) выражается через амплитудные коэффициенты отражеR-/2(45,, 45) - R-/2(45,, -45) ния r и r для света, падающего изнутри активного A B () =arctg R0(45,, 45) - R0(45,, -45) слоя на РБО A и B соответственно, (1) r 1 - r /r A A B определялась спектральная зависимость относительной r =, (4) MC 1 - r r A B фазы ().

Для исключения влияния дисперсии показателей преr — амплитудный коэффициент отражения от РБО A A ломления оптических элементов установки в процессе при падении света со стороны внешней среды (воздуха), измерений производилась подстройка фазосдвигающего = exp(ik0ncz Lc) определяет набег фазы световой волклина таким образом, чтобы значения = 0, -/ны при прохождении через активный слой толщиной Lc;

оставались неизменными в пределах изучаемого спек k0 = /c, ncz = n2 - n2, nx = V sin ; V —диэлекc x трального интервала.

трическая проницаемость внешней среды, c —скорость света в вакууме. Знак тильда соответствует отрицательной проекции на ось Z волнового вектора падающего 3. Теория света. С учетом приближений (2) фаза коэффициента отражения от МР в области ФЗЗ (как и в случае одиночПрежде чем переходить к анализу микрорезонаторной ного РБО) практически линейно зависит от частоты, за структуры, рассмотрим отражение света от одиночного исключением узкой области резонансных особенностей, РБО (distributed Bragg reflector (DBR)), ограниченного с обусловленных собственными модами МР.

одной стороны воздухом, а с другой — полубесконечной Используя (2) и (4), можно показать, что спектральподложкой. При заданном угле падения (рис. 1, b, ная зависимость комплексного амплитудного коэффиисточник излучения находится в воздухе слева от РБО) циента отражения от МР в окрестности частоты m в спектральной области вблизи центра ФЗЗ частотную собственной моды может быть записана в виде зависимость фазы амплитудного коэффициента DBR отражения r = R exp(i ) для РБО можно DBR DBR DBR - m + iC R / min аппроксимировать линейной функцией [23,24] r exp iA ( - A ), MC - m - i / = DBR( - DBR), (2) (5) DBR где — параметр уширения собственной моды, обусгде = p, s — индекс, указывающий поляризацию ловленный конечным излучательным временем жизни падающего света; R — энергетический коэффициDBR моды из-за ограниченности числа слоев РБО и погло ент отражения; DBR — коэффициент, не зависящий щения в слоях МР, R — значение энергетического min от частоты ; DBR — частота фазовой компенсации коэффициента отражения МР в точке минимума резо ( = 0, когда = DBR), которая при наклонном A DBR нансной линии отражения, C = sign(R - R | (m)|4), B падении света принимает разные значения для разных A A|2.

R = |r |2, R = |r Форма резонансной линии в виде B B состояний поляризации.

провала в спектре отражения приближенно описывается p Разность фаз (относительная фаза) = - s DBR DBR DBR лоренцевским контуром p- и s-коэффициентов отражения от РБО также может рассматриваться как линейная функция частоты в цен- 1 - R min R |r |2 1 -, (6) MC MC тральной части ФЗЗ 1 +(x ) = DBR( - DBR), (3) где x = 2( - m)/, а фаза = arg r амплитудDBR MC MC ного коэффициента отражения выражается следующей p s где DBR = DBR - DBR, а DBR — частота фазовой формулой:

компенсации для относительной фазы ( = 0, когда DBR R C + 1 x = DBR).

min A ( - A ) +arctg. (7) MC Как показывают прямые численные расчеты, выполR C - (x )min ненные методом матриц переноса, для исследованных в настоящей работе РБО в случае не очень больших Частотная зависимость содержит фоновый линейMC p s углов падения (<40) DBR DBR DBR. Поэтому ный вклад, определяемый только фазой коэффициента в дальнейших приближенных аналитических оценках отражения от РБО A. Влияние РБО B сказывается в не будем делать различий между частотами фазовой последнем, нелинейном по частоте, слагаемом выраже компенсации DBR и DBR. ния (7).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Амплитудно-фазовые спектры отражения света от брэгговских структур на основе аморфного кремния Параметры и R определяются коэффициентами min отражения света для отдельных РБО A и B, коэффициентами экстинкции в активном слое, а также зависят от значений A, B и c 2Lc Re(ncz )/c AR 1 - R B | (m)| = ·, (8) (c + A + B ) AR R B | (m)| A B R - R | (m)|2 R =. (9) min AR 1 - R B | (m)|Если материал активного слоя прозрачен (что характерно для исследуемого МР), то в приведенных выше формулах следует полагать | (m)| = 1.

Из полученных соотношений ясно видно, какие факторы и каким образом влияют на формирование резонансных особенностей модовых состояний МР. Сопоставление экспериментальных спектров с результатами расчета по формулам (5)–(9) дает возможность установить дополнительные ограничения на параметры РБО в структуре, которые определяют значения внутренних A B коэффициентов отражения R и R.

В эксперименте измеряется относительная фаза отp s ражения от МР = -. В области ФЗЗ вне MC MC MC модовых особенностей она является линейной функцией Рис. 2. a — экспериментальные спектры отражения света от частоты распределенного брэгговского отражателя в области фотонной запрещенной зоны для p- и s-поляризаций при угле падения p s (A - A)( - MC), (10) света = 30. b — экспериментальный (1) и теоретичеMC b ский (2) спектры относительного фазового сдвига в облаp p p s s s где MC =(AA - AA)/(A - A) — частота фазовой сти фотонной запрещенной зоны для угла падения = 30;

компенсации для МР. DBR — частота, на которой фазы p- и s-коэффициентов отражения света совпадают.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.